100m3低温CO2储罐设计开题报告
2020-06-14 16:17:05
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
1.1 100立方米低温二氧化碳储罐设计概述
低温罐体是指贮存沸点温度低于_150#176;C介质（如液氮、液氧、液氩、液化天然气）的 一种双层结构容器。低温罐体可作为固定容器，安放在某一固定地点，也可作为移动式容 器，安装在车、船等运输工具上，随运输工具一起运输低温介质。低温罐体在内容器与外壳 之间的支撑结构大多采用拉带结构、吊杆结构、吊索结构等。二氧化碳低温储罐的正常操作温度是-30 ℃，故确定内壳的设计温度为-40 ℃，且选用最低冲击试验温度-40 ℃的 16MnDR（正火）板材作为内壳材料。内壳直径取 2 100 mm，设计压力取 2.32 MPa，15~30 m3 液态二氧化碳储罐的液柱静压小于设计压力的 5%，可忽略不计[1]，考虑夹层真空-0.1 MPa，内壳实际承受的压力为 2.42 MPa。TSG R0004-2009
《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，板材厚度不超过 16 mm 的 16MnDR 的许用应力为 181MPa，≤16~36 mm 时的许用应力是 174 MPa[2]，根据 GB 150-1998《钢制压力容器》的有关公式计算，内筒体的壁厚需 16 mm，而内封头需要用 18 mm 的
坯料压制才能保证其最小成形厚度。通过分析计算，该设备在低温状态时筒体的薄膜拉应力为 170.61MPa，不仅＞50 MPa，而且大于壳体材料 16MnDR（正火）板标准常温屈服点的六分之一，该设备的设计、制造、检验应按低温压力容器对待
1.2 低温二氧化碳储罐设计的工作原理及发展动向
1.2.1 低温二氧化碳储罐设计的工作原理
低温压力容器的特点是容易产生低温脆性破坏。低温下操作的压力容器由于随着使用温度的降低，容器用钢材及其连接焊缝会由延性状态转变为脆性状态。当容器中存在难以避免的缺陷时在低于材料的屈服极限，故又称作低应力脆性于材料的脆变温度时会导致容器的脆断。低温脆性破坏是在没有预兆的情况下突然发生的，危险性很大，往往都是灾难性事故。防止低温压力容器低温脆性断裂事故的发生，主要从材料的选用、结构设计、试验方法、设备的制造和检验过程等各个环节进行有效的控制。
另一方面，由于低温压力容器在各个环节的要求高于常温压力容器，使得低温压力容器的设备造价大大高于一般压力容器，因此进行一项设备设计时，是否考虑将其作为低温压力容器进行设计以及提出恰当、合理、安全的技术条件具有十分重要的意义。本文就是对低温压力容器的脆性破坏特点以及在设计中应注意的关键点进行简要的归纳、总结和阐述
1.2.2 低温二氧化碳储罐的发展动向
随着我国经济的快速发展，对储存各种液态气体的绝热低温储罐的需求日益增加。高真空粉末绝热储存容器是目前广泛应用的深冷形式之一，采取在真空夹层中充填绝热保冷材料#8212;膨胀珍珠岩，以隔绝热量的传导。由于低温液体沸点低，汽化潜热小，获得低温液化气体需付出较大的代价。因此，有效贮存低温液体有着重要的经济价值。
某气体公司要求设计制造的高真空粉末绝热储罐总体结构如图1所示，主要特性参数见表1
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表1 |
技术特性表 |
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名称 |
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内容器 |
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外容器 |
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工作压力 (MPa) |
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1.7 |
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-0.1 |
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设计压力 (MPa) |
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1.8 |
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-0.1 |
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工作温度 (℃) |
-142～-196 |
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50 | |
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设计温度 (℃) |
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-196 |
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50 |
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介质 |
液氧、液氮、液氩 |
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珠光砂 | |
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腐蚀裕量 (mm) |
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0 |
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1.0 |
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主体材料 |
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0Cr18Ni9 |
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Q235-B |
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焊接接头系数 |
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1.0 |
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0.85 |
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全容积 (m3) |
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44.7 |
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71.4 |
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容器类别 |
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Ⅲ类 |
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该低温液体储罐属于三类压力容器[1]，总体结构由外部管道和罐体两大类组成。罐体部分由内外容器、支撑构件、夹层管线以及抽真空组件、泄放装置等组成。夹层空间充填绝热材料#8212;膨胀珍珠岩，该真空夹层空间有效地阻止了气体的对流换热和气体的热传导，因此，夹层空间的真空度对绝热性能起到一定影响。外部管道与罐体组装完毕后，需与罐体一起进行气密性试验，以确保设备的安全性。
设计要点
由于低温容器处理的是120K以下的液体，其介质与周围环境(300K)存在很大的温差，所以热交换比较大[2]。为了保持罐体内部介质的低温状态，确保设备的正常运行，该低温容器采用了高真空粉末绝热方式，它将绝热空间抽至真空状态以消除绝热空间的气体的对流和传导，并在全封
闭的真空条件下进行充填绝热材料#8212;膨胀珍珠岩（珠光砂），以维持低温设备的正常工作。绝热低温真空容器的漏热由两部分构成：通过绝热体的综合漏热；通过容器的吊柱、管道、支撑等机械构件的漏热。因此在绝热方式和绝热材料确定的前提下，容器结构型式、材料选择、焊接工艺的合理性等各环节是影响高真空绝热低温容器低温性能和正常使用的重要因素。
1.3 近年来国内外低温二氧化碳储罐设计研究现状
日本石油资源缺乏,每年从国外进口原油或液化天然气。日本对液化气的、利用已占世界能源的20%左右。
液化气的储存,必须借助于低温储罐,低温储罐建造的关键在于低温钢材。日本钢铁公司(新日铁)于1955年已开始发展低温钢,续后又发展了超低温钢。截至目前为止
已生产的低温和超低温钢有下列几类。
一、低温和超低温钢
1。低沮钢
(1)低碳铝镇静细晶粒钢类此钢简称铝镇静钢,广泛使用于液氨和各种液化石油气的储存。钢种分四级,即N一TUF3oN,N一TUF33,N一TUF33N及N一TUF37。这类钢含碳量低,钢材都经热处理,磷、硫等有害杂质很少,缺口韧性高,焊接性能好,使用温度为O~50℃范围,一般不需预热。
(2)低温高强钢类适用于液氨和丙烷的储存,该类钢有N一TUF50和WEL-TEN80cLT两种,在低温下既有很高的强度,也有极好的低温韧性,使用温度可达一40oCo
2。超低温钢
(1)低镍钢类主要用于换冷器、各种石油化工储罐和其它低温设备部件。这类钢一般冷加工后会降低钢的韧性,所以要进行热处理,热处理的方法根据钢板厚度和使用温度的变化而不同,当板厚大于30~50mm,使用温度一100℃时,要进行淬火和回火或A。:以上水淬或A:。和A;;之间的低温淬火(水淬)或回火。这类钢有2%~2.5%Ni钢和3%~3.5%Ni钢两种,使用温度在一50一一100℃以上。
(2)9%Ni钢类1961年日本钢铁公司已开始生产,目前这类钢主要用在国内外大型液化天然气储罐上,它的特点是含镍高,超低温下能防止材料的脆性破坏。这类钢分ASTMA55372AI和JISSL9N6o两种,使用温度可达一196℃,冷加工变形超过3%时要进行热处理。
(3)5.5%Ni钢类是1969年生产的更为经济的超低温钢,它和9%Ni钢的共同性质是含碳量低、韧性高,磷、硫有害杂质少,钢板内部无缺陷,退磁性好。
5.5%Ni钢与9%Ni钢的区别是:降低了Ni含量,增加了Mn含量和Cr,M。元素,
防止了回火脆化,加上特殊热处理手段,进一步细化了晶粒结构。性能与9%Ni钢相似,但更为经济。这类钢只有一种,即N一TUFCR196,使用温度适用于一100~一196℃范围。
二、低温及超低温储罐
1。低温储峪
设计温度在一50℃以上者为低温储罐夕低温储罐一般储存丙烷、丁烷、氨等液体产品。从罐型上分有球罐和立式圆筒罐;从结构上分有单层和双层两种。
(1)单层球罐通常用于压力稍高,温度大于一30℃的介质,主要满足工艺流仁加工过程的需要,不适宜大容量储存。图1为单层球罐图,这种型式和常温球罐相似,所不同的是球体不仅为低温高强钢制造,而且与球体接触部分,考虑低温对材料的影响,也采用了相应的低温材料。
(2)单层拱顶储罐此型罐为立式圆筒平底罐(图2)。一般适用于储存压力为0.01MaP,温度为一50℃以上的介质,宜于大容量储存。这类罐的优点是结构简单,造价便宜,缺点是保冷效果与防火不够理想。该罐储存介质为液化丙烷,容量为41000m3,设计压力为o.01MPa,真空度为一490Pa,设计温度为一46℃,罐体材料为SLA33B铝
参考文献
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
2.1 本课题研究的目的及意义
低温二氧化碳储罐设计是21世纪深冷高压容器的主要结构形式，在我国获得广泛应用。本课题需设计一个低温二氧化碳储罐。设计内容包括工艺计算、结构设计、强度计算、施工图设计等。本课题包含化工原理、控制工程、机械设计、过程装备成套技术、等专业知识；内容丰富,工作饱满；该课题属于实际课题；类型属于设计型；来源于生产实践；难度、份量等符合机械工程等相关专业的毕业设计要求。
2.2 本课题的主要研究内容
